【《基于单片机的纯电动汽车电池管理系统设计》11000字（论文）】

页1绪论1.1课题研究的背景现代科技的快速发展，传感技术、微控制技术、电子器件无时无刻都出现在我们身边。提高了我们的生活效率、工作效率、出行效率等。著名的中国速度更是离不开智能产品的辅佐。人工智能逐渐解放了我们的双手，这一切都变得那么的美好。这种高科技已经运用到军事、医疗、教育、交通各个领域，可以说到处都有单片机的身影。依照国内现在的状况，许多城市禁摩限电之后，电动车更受欢迎了，随着人口的增长，电动车数量也在持续增长。纯电动汽车和机动车相比能节约自然能源，无污染，不会像机动车那样产生废气，能够更好的保护空气环境；低噪音，噪音会让人心烦气躁，血压升高，对人体的各个系统危害都是很大的；电能可以快速转换成车辆行驶的动能，能量的转换率相比于机动车高了很多，而且结构更简单，车身更轻盈，即便车辆出现问题，维修也比机动车简单，这也是纯电动汽车能受到国内外的高度重视。纯电动汽车想要开动自然是离不开锂电池，相当于机动车离不开发动机发动机，电池都是以组为单位，并不是单个的独立出现的，这就会导致种种问题，这些问题都存在危险，存在这种危险的问题都会导致许多事故，因此迫切需要开发出新的电池管理系统，需要这种系统更高效，更安全，更智能，更稳定。1.2发展概况随着地球的自然资源一天天的变少，我们生活的环境逐渐变差，使得电动交通的相关新能源工业得到了社会的广泛关注。国外许多国家都把电动汽车的发展放到了重要地位，并投入大量人力物力研究相关产品和产业。通用汽车公司的EVI电池管理系统、AeroVironment公司的SmartGuard和ACPropulsion公司的Batopt都是非常高效的电池管理系统。国内对电动汽车电池管理系统的研究起步较晚，但随着十一五规划和863计划的推动，我国在电池管理系统的研究方面取得了重大突破。目前国内一些高校联合开展研究，一些大型汽车制造商和电池供应商也取得了一定的研究成果，如清华大学、北京大学等，北京理工大学的王建群等人开发了以单片机为核心、分布式结构的BK6121EV电池管理系统，具有电池参数、故障诊断、危险信号报警和热管理等功能。福田汽车研制的动力电池管理系统包含电池信息检测功能模块、中央处理功能模块，检测模块可以采集电池单体电压等数据，中央处理模块接收电池信息检测模块发送的信息，并对检测结果进行比较，通过逻辑开关阵列切换模块控制电池均衡。1.3系统的关键技术设计中最关键的是单片机，作为整个系统的大脑并不是那么容易就能完成它的制作的。两种不同型号单片机如下图1.1所示。上面两张图可以看到，如果有对比看到这是两个很小的黑色的芯片，具有高集成度，许多资源被压缩，然后全部都被聚集在这个小小的芯片上。单片机内的白色的管脚既能导出程序想要执行的动作，又能又可以收入外部信号并转换成数据。可以看出这两种型号的单片机在外观上明显不同，上图中左图有四排引脚的封装，右图则有两排引脚的封装，这种体积都比较小，可以做出的产品都比较小，而且它的安插也比较方便。不同类型的单片机，不同型号的单片机都具有自己独有的优缺点，所以单片机是在不断更新，不断改进的。这次的系统关键如上图的芯片，所以功能都是通过芯片来控制实现的。其中一项技术尤为重要，单片机有许多IO口，需要先进行对具体IO口的一个设定，设定哪个是输入，哪个是输出，输出是TTL电平，很通俗易懂，输出的表达是通过一个“0”或“1”来实现，它们相互结合来实现功能的表达，数据收集完成后，就可以编写程序，并对单片机中产生的数据进行处理，实现其功能，达到系统的预期目标。单片机其中有两点比较关键，其一是它的数据采集，其二是它的信号输出，能够熟练地掌握这两点就事半功倍了，这就相当于为这次的设计打了个基础。1.4研究目的由于纯电动汽车在国内是属于新能源交通工具，在国内的起步是比较晚的，在纯电动汽车的电池管理系统方面还有许多问题丞待解决，例如电池的电压、电流、电量、温度等问题，此次设计主要是为了解决纯电动汽车的电池管理系统对于电池温度管控的问题。2系统的设计思路2.1系统研发的整体想法系统的设计主要有这三个部分：设计外接部件：探索出其中的相关原理，所选课题的系统需要完成什么功能，筛选出大概需要什么元器件，以及元器件的型号大小，要满足到所设计需要的范围，是否匹配到整个系统，然后上机绘制焊接所需要对照的电路图。设计仿真元件：需要仿真软件得到程序的导入后进行仿真才可以驱动外接部件。相比于硬件，软件可以在电脑上更直观的显示，在系统中要设计多个子程序来让软件完整，在系统中呈现多个模块，每个模块都设计好程序。其中优点是可以边调试边修改，可以更好的知道哪里不足。测试系统：前面完成了硬件及软件的挑选和设计之后，就要按照所要求实现的功能来进行详细的测试，反复观察，反复实验，检测是否存在漏洞和不足，进行不断修改和改进以达到满意的效果，直到形成完整的系统。2.2系统总体框图电池管理系统的基本功能是监控电池的工作状态，电池可能会发生过度充放电、过热等危险情况，这时候就要求所设计的电池管理系统去做到监测电池中的电压、电流和温度，并监测出所剩余的电量值，采集到这些数据之后单片机做出判断并做出反应，输出信号到电池保护系统起到电池的保护作用。系统框图如下2.1所示：图2.1系统结构框图2.3选择核心部件2.3.1单片机的选择方案1：选择国际市场上欧美的的单片机得类型，在国际市场上比较常用的有这两种型号PIC24XX与PIC30XX，这两种单片机的类型是16位单片机。它们的性能在16位单片机中遥遥领先，它们最优秀的特征就是抗干扰性，它们的抗干扰的性能在单片机领域上数一数二，这也让这个类型的单片机只能运用在自动化领域。这个系列的单片机对于研发来说并非易事，他们需要研究学习其特定的芯片手册，综上所述，由此得知这个系列的单片机是十分昂贵的。方案2：选择国产的STC单片机作为系统的处理控制核心，STC系列的单片机最优秀的地方在于可以和AT单片机一起设计，并且在功能上加以改进，进而变得物美价廉，采用串行口就可以调试下载程序。这个单片机价格便宜，工作电压仅为+5v，并且运行功耗很低。不管在大的系统中还是小的系统中它都很优秀。综上所诉本次选择国产型号的单片机，主要是可以让系统更完美的运行，操作的更为简单和简洁。2.3.2显示电路的选择2.3.3电源的选择3系统硬件电路设计3.1单片机最小系统单片机最小系统是指用最少的元器件来构成一个最简单的并且能执行程序的工作环境。本次选用的单片机型号算是这么多型号当中难易程度比较简单的。虽然简单但是也要掌握这个型号单片机的最基本的方法，了解它有什么功能。先可以选择它的电源的电压，一般多数选择的电压是三到五伏，其中不同模块的供电是分开的，这样做是为了住电路的供电不被其它模块给扰乱。还要选择它的脉冲，这个脉冲的频率和幅度要稳定，一般给这种小系统选择的是8MHz、12MHz或者25MHz的晶振。此外还需要设计一个复位电路，复位电路可以在通电调试到一定阶段后起一个复位的作用。之后还需要安装LED作为系统的一个提示。整个系统中就属单片机最重要，相当于电脑的CUP，是整个系统的大脑，通过利用单片机内部的各个来达到调节整个系统。单片机中的每个引脚都能实现数据的关联，它可以作为系统的逻辑处理器、数据采集器、控制输出器。如下图3.1所示。图3.1STC89S52系统电路电源自然是必不可少的了，使用五伏电压，正极接40引脚，负极接20引脚，只有一个正确的供电电源才能让单片机能够正常工作。单片机需要一个晶振电路给它提供脉冲信号，在单片机内部形成了一个晶体振荡器，晶振连接第18脚和第19脚。选用的晶振是11.0592M的晶振是我们平时最为常用的。1us是12M的晶振系统的时钟周期，能够很准确地执行定时。结合项目给出的具体要求，判断选用合适的晶振系统。还有复位是接第9脚，第31脚的EA再接到的电源正极，到这里单片机的最小系统就组装完成了，当单片机得到了供电和晶振给出的脉冲之后就可以开始进行工作了。P1.0到P1.7口接的是第1到第8脚，后面还有接8个电阻，这里的作用是让这8个发光管亮起来。3.2显示电路设计LCD液晶显示有许多卓越的优点，当然它的缺点肯定也有。LCD的显示质量高，并且显示发光也很恒定，不会一直闪烁让我们的眼睛感到疲劳；而且它没有电磁辐射，由于液晶显示的封装是密闭的，不像老式的显示为了散热而与空气接触；它的可视面积也大，应用范围广，在游戏机，电视机，摄像机，到现在的电脑都有使用；它的画面效果更好，它还可以变得很小巧，给人一种全新的感觉，所以它的功率消耗也小。当然也有它的一些缺点，最明显的是如果在高温环境下工作会导致它的对比度损失；它相对明亮但不实用于过于明亮的环境。所以系统设计时，要考虑清楚，对比其优缺点来找到合适的液晶显示器。用得最多的一个液晶显示是LCD1602，此液晶显示可以明显看到能显示的总共只有两行，LCD1602的液晶显示外观如下图3.2所示。从外观可以很直观的观察到无背光和底部有LED背光的两者是不同的，有背光是厚一点的，无背光则是薄一点。这次设计显示数据采用了LCD1602来。LCD1602的引脚具体的应用如下：图3.21602LCD尺寸图各个引脚的效能说明如下表1.1。表1.1液晶显示引脚说明电路原理图如图3.5所示图3.3LCD602液晶电路图VL对应原理图V0引脚，作用是可以调整LCD1602的显示对比度，还可以在外部延伸接一个元器件来进行调节，上原理图接地引脚为0的时候对比度最高。RS对应原理图中的RES引脚，引脚如果是高电平则进行数据字节传输，引脚如果是低电平则进行命令字节传输。RW对应原理图RW引脚，当引脚高是电平时，则对LCD1602进行读数据，当引脚是低电平时，则对LCD1602进行写数据，一般应用都是直接拉低只进行写数据。E对应原理图E引脚，该引脚上升沿代表对LCD1602开始数据传输，下降沿代表数据传输结束。在原理图的K引脚中，该引脚如果是高电平时，背光就会关闭，如果引脚是低电平时，背光就会打开。只需要写数据给LCD1602显示，只看写操作时序，写指令跟写数据对比可看出RW读写引脚为低电平，E为高电平，D0~D7为传输的数据是命令/数据，RS数据/命令选择端（同样是高高电平：读数据，低电平：写命令）。通过液晶显示能够很清楚直观的得出需要显示的信息，写程序时还需要加一段初始化的小程序，这能让系统能够复位，进而能够进行再次使用。3.3保护模块设计S9012可以当做是保护电路的开关，当P10口动作输出信号时，继电器接收到信号直接断开保护电路。电路图如图3.6所示。图3.5保护电路当传感器接收到电池温度上升的信号，然后发送给单片机，单片机就对比接收到的温度数值是否超过预先所设定的温度数值，如果超过预先设定的阈值，则P10口动作输出一个信号，继电器接收到这个信号后就会自动断开，切断所控制的电路，断电来进行电路的保护。若没超过预先设定的温度数值，传感器就会重新进入温度监控阶段，接着整个系统就会进入一个循环的状态，达到持续工作的效果。3.4模数转换ADC0832AC0832是一种具有双通道的转换芯片，它能接受的电压是比较低的，一般都在5V左右的电压，电压过大就会造成一定的干扰，导致准确度不够。此次设计时选用的单片机没有内置ADC模块，因此微芯片自己读不出模拟信号，因此需要额外的芯片来帮助单片机识别模拟信号。ADC芯片有这三个主要部分：电源、数据、时钟三个主要引脚构成。其中传感器给外部的信息与ADC的第二引脚连接。由于ADC芯片体现了它的作用，使外部传感器和ADC芯片必须向接地供应电力，并且参考收集到的电压。微控制器次序分明的来接受到芯片的数字信息，进而获得传感器的模拟信息。触点如图3.6所示：图3.6ADC0832引脚图图3.7ADC0832时序图上图为ADC0832串行A-D转换工作时序，当ADC0832没工作的时候，它的CS端理应是处于高电平的状态，这时候单片机是不可以使用，当要开始进行A/D转换时，其工作时序分为两个阶段：第一阶段为起始和通道配置，从单片机的CUP内发出，从ADC0832的DI端输入；第二阶段为A-D转换数据输出，由ADC0832从DO端输出，单片机的CPU收入。3.5DS18B20温度采集模块本次设计的温度传感器采用的DS18B20温度传感器，这个传感器的体积比较小、运行功耗低、运行电压为+5V直流电压，因此不需要外接电源，可以和单片机的供电电源直接进行连接，因此所选的温度传感器的特点非常符合本次设计的体积小、功能强大、运行稳定的要求。温度传感器采集外部温度数据，然后发送给单片机，单片机开始进行数据对比，当单片机判断的温度数值超过设定的阈值时，单片机会给报警模块发送一个低电平，如果单片机判断的温度数值没有超过预定的阈值时，就会重新进入数据采集阶段，接着系统就会进入一个循环状态。器件的引脚如图3.8所示。图3.8DS18B20封装数据温度传感器DS18B20内部设置了一个单个的寄存器，要实现正常的运行要靠它内部的时钟周期互相合作，这样就能帮助单片机实现一个温度测量的功能，它可以很准确的测量出外界的温度，收集到的温度数据再传回到单片机内。温度传感器总共有三个引脚，第一个引脚是接地引脚，要让整个系统与大地连接，保证安全接地；因为本次选用的单片机是52单片机，所以第二个引脚需要接一个上拉电阻，这样才能够让外部的高电平得到很好的输入，不然还没开始测的时候一通电就在屏幕上显示一个数值，不然还有种情况就是用了一段时间之后屏幕上显示的数值就会跳来跳去，导致混乱；传感器的VDD引脚则是接到外接电源的输入端，多数情况都会需要接到电源的+5V上，通了电就能让整个温度测量电路正常运行了。电路连接图如图3.9所示。图3.9温度采集电路4软件设计及实现单片机系统想要正常的进行读取和送出的功能，这样就需要装配与之相搭配的外部配件，这样来达到想要表达的效果。单片机这行相关的程序，这个过程其实就是执行我们自己在其他软件上写的程序的过程，过程分别有三步：通过读取程序的存储器中的一条条指令，把程序输送到一个寄存器上；接着单片机提取寄存器中的程序指令，将其进行译码和分析；接着将分析到的结果进行一个输出，输出给外部连接的硬件，外部硬件执行其输出的程序指令一直运行，形成一个循环，直到单片机发出停止或者等待的指令。单片机的CPU就是这样一条条的执行所写的程序指令，完成所有要求实现的功能。另外写出来的程序务必是要正确的，你的程序写成什么样，单片机的程序就会执行成什么样，出来的效果好坏与否直接是有程序的对错决定。再去过程中难免会出现各种差错，从这些错误中总结出了经验，通过别写不通部分的不同地方来编写各个部分的子程序，到执行程序是需要用到那个部分的子程序就进行这个部分的子程序的调用，前提是需要知道各个部分需要达到什么功能和效果。现在用的最多的对单片机进行编程的是使用C语言来实现，C语言不像过去用的汇编语言那么复杂和高要求，C语言的优点在于简单明了，更加方便了。然后就会在指定的文件夹内出现一个HEX文件，然后将这个文件的内容放入到单片机内，单片机就会实现程序中的功能，还可以通过另一个软件，这个软件就是仿真软件来进行查看程序在这个系统内运行的好不好，正确与否。执行程序相当于整个系统的灵魂，如果没有程序，整个系统就相当于一个空壳，没法运行，所以执行程序的设计是很重要很关键的。使用更简单点的编程方法，即C语言编程方法来编程，学习并掌握C语言的关键地方，打好编程的基础。编写程序的顺利与否的关键点在于是否选对了编写的软件，合适的软件，通常都会采用KEIL软件。引脚中的功能想要被实现，是通过弄懂单片机还有它的使用方法还有外接器件的操作方法，而且单片机的寄存器还要被控制。完成程序的修改和编写之后，HEX文件在电脑的指定的一个文件夹内被生成，然后将这个文件的程序弄到单片机内，观察是否执行成功。完成上面的四个步骤就能很好的使用单片机了，编写程序过程中还可以使用到许多的小技巧和更简洁的方法来让我们能更轻松愉快的完成这一步的设计。所以在这个过程中学会一些省时省力的方法也是很有必要的。4.1设计的软件环境KEIL软件拥有很丰富的数据库它的调试工具也是非常的强大，这个软件生成代码的速度非常的快，说明了它的效率会非常高的，在语句多的代码中，紧凑的代码被形成，让人很容易就理解了，其中C语言在与汇编语言的对比中优势尽显，功能变强大了，同时更让人易懂了。它能设计的方面很多，能在内部设计的各个方面进行相互之间的连接，其中的语法错误在这个编写环境中会被自动纠察出来，前提是在其中仅仅是对程序级代码的一个开发。KEIL的开发界面设计的非常漂亮，非常合理，非常方便。所以使得这个软件受到许多人的喜欢，对它的使用率也是非常的高，许多公司也投入了对它的开发合作中来。确定好选择KEIL这个工程软件作为本次设计的编写软件后，就可以将此软件安装好到电脑上，然后打开它的界面。新建页面如下图4.1所示。图4.1新建页面图打开界面之后，工程创建完成，就可以开始编写程序了。如下图4.2所示。之后程序写好了，还要对它进行编译，Keil编译界面如下图4.3所示。当编写的程序如果是正确时，0个错误，0个警告将会在输出界面被显示出来。当中如果出现警告的提示，只是说明程序当中有些语序不够好但是是正确的。如果程序写完了，发现文件夹内没有出现HEX文件，则说明上面的程序存在了一些错误的编写，这时候就需要对程序去逐句查看去发现错误的根源。图4.3keil的编译界面一旦可以产生.HEX文件了，就可以将程序导出。如图4.4所示。图4.4HEX文件下载界面当程序写好后，就把HEX格式的程序下载到单片机中，下载界面如图5.2。第一个是需要先确保是否选择了对的串口，第二个是确认驱动设备有没有在我的电脑上成功的安装完成，只有确认好这两点才可以对程序进行进行下载。通过软件电机下载接口，然后进行系统的冷启动就可以将编译好的HEX下载进单片机系统了。观察PC端显示屏上面的运行过程，可以直接的了解到系统运行得怎么样。程序在主程序中执行。根据所有软件相互的配合，可以看到系统的运行是否正常。4.2软件流程图设计4.2.1主程序设计，具体如图4.3所示。图4.3主程序软件流程图4.2.2显示程序设计第一，LCD1602液晶显示器得到输入的数据并接着传输给LCD的命令实现初始化，接下来给LCD命令写入函数，得到控制显示的位置，在屏幕上显示出所写入的数据，得到最后显示的结果后，接着返回写入命令函数形成一个循环。5系统的仿真完成整个系统的制作之后就可以测试它的功能了，在这个测试中，主要是给设计出来的软件系统和焊接好的硬件系统做一个对比，对比一下两个系统是否一致原理是否相符，是直接影响到本次设计的结果的。然后通过设计所需要达到的目的来测试这个系统，在后面的测试中不断找出不足，不断改进系统反复调整系统，直到完成想要的效果达到让自己满意的结果。5.1系统制作制作这个系统需要用到一些比较小的元器件和常用的单片机制作的工具，电烙铁肯定是要的，还需要电路板、USB接口、电容、电阻等还有上面提到的温度传感器、LCD1602显示器、温度采集模块、ADC0832模数转换芯片等。制作这个系统总共有如下这步骤。1.先把需要焊接的小元器件和较大的元器件分开，然后再把他们一个个先插到电路板上面，看看怎么布局更合理更美观。插上去之后，先焊接显示屏幕这样的大的元器件，再焊接其它小模块的元器件，然后再用一根连接固定线。2.每焊接完一处就要用万用表进行充分仔细的检测，这样做是为了把整个设计的的失误率给降下来，到后面焊接完了，还可以带电去测量系统的电压是否正常。3.给系统通电，然后查看当中安装的的LED灯亮没亮，如果不亮就先去检查系统安装的电源到没到位。最主要是查看系统的状态稳不稳定，查看系统的供电的电源是否能够稳定供电的。通过观察外部的LED就能够得出一个大致的判断。4.输出的最关键也是最后一步在于前面所写的程序在这一步能否被实现，主要是通过系统子程序实现。打电话给程序。当运行到关键一步的时候，就需要用到该模块的关键程序，这时候就可以直接调用相应的子程序。实现想要的系统功能。5.全方面对系统进行测试，不断多次去验证得出的结果，将这些多次测验得出的结果进行细致的对比，并进行判断，检查这些结果是否合理，直到达到想要的效果。这个过程其实是要让系统设计的更完美，程序没问题了，系统运行也没问题了，就可以对系统不断进行不断地优化了。仿真的图片如图5.1所示：图5.1仿真工作图5.2硬件调试焊接的时候焊点直接太密集，如果粗心就会导致焊点连在一起，系统就会存在短路问题。在设计时发现两三处存在焊点相互连接的问题的，经过仔细修改和审查，改正错误，系统实现了正常运行。5.3软件调试在软件设计过程中首先从子程序进行设计，通过编写显示程序来实现第一个子程序的编写，在编写显示程序的过程中发现数据显示不出来，显示的都是方框，通过查找程序，发现程序中引脚设置不正确，互换EN与RW引脚，显示程序正常的执行。正常显示如图5.2所示：图5.2正常显示温度和电量之后重新进行一遍测试，系统恢复正常工作 ，如图5.3所示。图5.3上电启动后的仿真图结论本次设计主要探讨的内容是电池温度的检测和降温，电池温度可以通过检测电流和电压来检测。本次研究用52单片机芯片来作为控制核心，系统添加了温度传感器和液晶显示元件，另外建立一个自动降温系统，实时监测电池在使用过程中的温度，一旦温度升高能快速做出反应实施降温。所添加的元器件主要实现电量显示和温度监测还有降温的目的。采用百分比进行分析，显示电量和温度。另外还需要焊接实物，并导入编写的程序进行仿真，对照电脑显示的仿真，同时观察监测的实时内容，从而进行详细的修改。本研究能让纯电动汽车电池管理系统能够更高效、安全、智能的监测和控制电池温度和电量。本次设计中遇到问题最多的地方在于系统的硬件原理图这一块，先要获取单片机的各个部件得工作原理，然后分析各部件安装的可行性，各个元器件能否实现预期的功能，最后绘制出了系统的总体原理图。通过硬件原理图进行单片机系统的焊接，从头开始一步一步分析查找出的问题。由于对整个单片机原理的不熟悉，编写程序也遇到了很多困难，也是错漏百出，通过网上及书本查找出原理的编程方法，最终编写出符合工作要求的程序，实现了程序的正常运行。本次设计与市场上已设计好的系统相比大体一致，但是受限于设备不够完善和时间，针对基于单片机的纯电动汽车电池管理系统的研究还是会有一些不够好的地方，许多地方有待改进。最后给出的建议是在做设计时需要先做一个整体的大纲，多动手，查阅各种相关的文献资料是不可缺少的，在做实物的时候要较为细心，不能急于求成要按照要求，对比到总的原理图还进行焊接，最后的分析也要细心。参考文献[1]张觉敏．浅析电动自行车的巨大市场潜力[J]．中国机电工业2012(06)：130-131.[2]张金顶．基于MSP430的动力锂离子电池管理系统的设计与研究[D]．硕士学位论文．湖南大学．2011.5.[3]夏正鹏、汪兴兴等．电动汽车电池管理系统研究进展[J]．电源技术，2012(07)：1052-1054.[4]重庆长安汽车股份有限公司．一种混合动力汽车用动力电池组的管理系统，中国：CN2890947[P].2008-